Oscillator学习笔记(1)

Oscillator学习笔记（1）

1.性能参数

+频率范围

关于振荡器工作的频率范围由两个部分组成。第一，通信系统要求工作的频段，如一个900-MHz GSM 直接转换接收机，他可能就要935MHz～960MHz的本地频率范围。另外就是由于工艺、温度的影响和模型的不准确，要求有一定的余量。

+输出电压摆幅

当然，为了驱动另外一个电路，一般要求输出电压摆幅越大越好。

+驱动能力

对于数字电路来说，中心时钟的负载一般都会比较大，所以驱动能力对于一个时钟来说是一个相对较重要的参数。如对于一个接机的接收信号的路径，振荡器不仅要驱动一个下转化的混频单元，还要驱动一个分频单元。

+相位噪声

设计振荡器需要在相位噪声与频率范围和功耗之间进行折中处理。

+输出波形

大部分情况下，理想的输出波形是方波。

+电源电压敏感性

电源电压的变化会直接导致工作频率的偏移。

+功耗

在低功耗的趋势下，功耗问题也越来越被看中。

2.基本模型

-反馈模型

“Barkhausen's critera”

以上是基本的起振条件，其实可以将外部输入直接去掉，电路只要满足环路中任何一个位置出现一个小信号噪声，然后经过环路的放大产生了一个更大的同向信号就满足起振条件。

-单端口模型

这里是直接从电路的阻抗特性入手分析，左边是一个有损网络，左边是一个损耗补偿的有源单元，由于两端的电压相当，所以消耗的能量与电阻值成反比，若要使得一个内部的一个信号不被损耗，右边的能量补偿必须要超过左边的能量消耗，所以abs(-Rp')<Rp。

 

3.交叉耦合振荡器

这个振荡器结构

其中的4CGD，是由于Vx增加时，Vy减少，到达波峰时，CGD其实已经储存了2VaC的电荷量，C1的系数为1也是如此。

4.压控振荡器

现在从交叉耦合振荡器来构建压控振荡器，由以上的wosc的表达式可以看出，可以改变的有两个量，L和C，一般来说改变C较为容易。

可直接采用MOS电容器，如下图

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

这个振荡器的频率可以表达如下

这个电路有两个缺点，MOS电容器必须要能承受当Vcont=0V时，Vx>VDD的压降；Cmax-Cmin的变化值只有一半被利用。

而频率变化的范围是

我们还要考虑到，变容MOS管减小了震荡单元的Q值。

如上图的有损耗电感和电容并联一起，整个二端口网络的Q值可以这样计算，

对于以上的可变电容的利用率上，我们可以采用如下电路结构得以解决。

调节合适的器件尺寸可以使得x, y的共模电平保持在1/2VDD，这样使得电路可调节的电容范围变宽。但是，这个电路的相位噪声更高。解释如下，当IDD改变dI时，x,y点的共模电平会改变dVcm=dI/2*(1/gm)，而前一个电路只会改变dI/2*rs，而共模电平与Vcont一样，同样影响节点的电容大小，使得频率发生偏移。

所以为了使得共模电平的变化不影响到MOS电容器的电容值，采用如下结构。

而这个电路又减小了频率变化的范围

关于1/2VDD的共模电平的设置，可以采用如下结构，

这个电路能使得输出摆幅比原先翻倍，缺点有两个，首先，为了正常工作，PMOS必须足够宽，而这会增大节点电容，限制频率范围。其次，输出频率对噪声更加敏感。